Photovoltaik im Überblick

 

Bereits im Jahre 1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Becquerel den sogenannten photovoltaischen Effekt. Bei einem Experiment mit elektrolytischen Zellen stellte er fest, dass der Strom, der zwischen Anode und Kathode floss, sich je nach Lichteinfall änderte.

In den folgenden Jahrzehnten gab es etliche kleinere Forschungserfolge auf dem Gebiet, doch erst nach dem zweiten Weltkrieg begann mit dem Durchbruch der Halbleitertechnologie auch der Siegeszug der Photovoltaik. 1953 war es dann soweit: In den Bell Laboratories wurden die ersten auf Siliziumbasis gefertigten Halbleiter-Solarzellen hergestellt, zwar mit dem bescheidenen Wirkungsgrad von vier Prozent, aber zum damaligen Zeitpunkt eine Sensation. Auf diese Möglichkeit, eine permanent Strom liefernde Energiequelle anstatt der bis dahin üblichen Batterien einsetzen zu können, wurde auch die NASA aufmerksam. Am 17. März startete dann die erste kommerzielle Anwendung der Photovoltaik in den Weltraum - als Stromversorgung für den Satelliten Vanguard 1!

 

Hier noch eine kleine Anmerkung für die Skeptiker der Photovoltaik, die die Standfestigkeit anzweifeln: 2002 wurde eine 1955 hergestellte Solarzelle der Bell Laboratories nochmals nachgemessen. Von den ursprünglichen 6 Prozent waren nach fast einem halben Jahrhundert immer noch 5,1 Prozent übrig! Und um bei den Vorurteilen zu bleiben: Es hält sich hartnäckig das Gerücht, daß Photovoltaik vom ökologischen Gesichtspunkt her überhaupt keinen Sinn macht, da bei der Produktion wesentlich mehr Energie aufgewendet werden muss, als die Anlage je produzieren kann. Fakt ist jedoch , daß die energetische Amortisation - je nach Technologie und Herkunft der Komponenten - bei 17 bis 41 Monaten liegt, d.h. nach weniger als vier Jahren wurde selbst im Worst Case durch die Anlage mehr Energie produziert, als für ihre Herstellung aufgewendet wurde (vgl. Studie der TU Berlin).

Grundsätzlich basieren auch heute noch die meisten Solarzellen auf dieser Technologie, jedoch konnte durch Verbesserungen der Materialien und der Produktiontechnik der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden. Gute am Markt erhältliche Module haben heutzutage - je nach Bauart - Wirkungsgrade von bis zu 18 Prozent (geprüft nach STC).

Doch wie funktioniert Photovoltaik überhaupt? Im folgenden soll beschrieben werden, wie eine kristalline, d.h. auf Silizium basierende Solarzelle aufgebaut ist und was sich - stark vereinfacht - in ihr abspielt:

Grundsätzlich besteht eine Zelle aus zwei Schichten Silizium (Silizium wird aus Sand gewonnen und ist deshalb quasi in unbegrenzter Menge verfügbar). Bei der Produktion wird das Silizium gezielt mit Fremdstoffen verunreinigt, man spricht hierbei von Dotierung. Eine Schicht wird mit Phosphoratomen dotiert, die andere mit Bor-Atomen

 

 

In der Abbildung sieht man, dass das Phosphor-Atom ein Bindungselektron zuviel hat, das überschüssig ist und deshalb nur über eine schwache Bindung verfügt. Da Elektronen negative Ladungen sind, spricht man von der n-Schicht. Anders verhält es sich bei der mit Bor dotierten Schicht. Dem Bor fehlt ein Bindungselektron, um eine abgesättigte Bindung erreichen zu können. Stattdessen spricht man an der Stelle von einem Loch. Die Löcher in der sogenannten p-Schicht sind dabei ebenso wie die Elektronen frei beweglich.

An der ca. 0,001 mm dicken Grenzschicht, an der p- und n- Schicht aneinandergrenzen, sammeln sich nun sowohl ein Großteil der Elektronen als auch der Löcher, es finden eine Rekombination statt. Trifft nun Energie in Form von Licht auf die Solarzelle, dann werden durch die Lichtenenergie (Photonen) die Ladungsträgerpaare in der Grenzschicht getrennt, die Elektronen bewegen sich zum Minuspol (dünne Metallstreifen an der Oberseite der Solarzelle), die Löcher zum Pluspol (vollflächig mit Metall bedampfte Rückseite): Eine Spannung entsteht (ca. 0,5 Volt). Wird nun an den beiden Polen ein Verbraucher angeschlossen fließt Strom!

 

 

Über 90% der Solarzellen werden aus Silizium hergestellt. Dabei gibt es zwei verschiedene Arten, die sich in der Produktionsweise unterscheiden: Monokristallines und polykristallines Silizium.

Bei der Produktion von monokristallinem Silizium wird ein sogenanntes "Impfkristall" in das flüssige Silizium gegeben. An diesem wächst dann eine (runde) Siliziumsäule, die anschließend in dünne Scheiben geschnitten wird. Um die Fläche innerhalb eines Solarmoduls besser ausnutzen zu können, wird die kreisrunde Form meist an den Seiten etwas beschnitten. Neben der Form haben monokristalline Solarzellen die homogene Struktur und damit eine gleichmäßige tiefblaue Färbung als optische Unterscheidungsmerkmale zu polykristallinen Zellen. Die gleichmäßige Struktur ist es auch, die für den geringfügig höheren Wirkungsgrad von Zellen aus monokristallinem Silizium (16-18%) verantwortlich ist, ein Vorteil, der durch die höheren Produktionskosten wieder relativiert wird.

 

 

Polykristallines Silizium wird bei der Herstellung einfach in Formen gegossen und danach so weiter verarbeitet wie die monokristalline Variante. Da hier keine gewachsene Struktur besteht, haben polykristalline Zellen eine perlmuttartig schimmernde Optik. Der Wirkungsgrad beträgt in der Regel zwischen 15 und 17%.

 

 

Diese Wirkungsgrade hören sich sehr bescheiden an. Hält wenn man sich jedoch vor Augen, dass der Gesamtwirkungsgrad von in konventionellen Kraftwerken erzeugtem Strom auch nur bei ca. 30% liegt, steht diese Form der Stromerzeugung auch nicht viel besser da. Betrachtet man dann noch die unter "Energie im Überfluss" genannte Tatsache, dass die Sonne uns 10.000 mal mehr Energie liefert als wir brauchen - und zwar gratis - dann sind auch weniger als 20% Wirkungsgrad mehr als genug, um diese Technologie sinnvoll einzusetzen.

Zur Zeit noch eine Außenseiterrolle spielen Module in Dünnschichttechnik. Grundsätzlich bestehen auch Dünnschichtmodule aus zwei Schichten. Diese werden nacheinander aus ein Trägermedium aufgetragen und sind - wie der Name schon sagt - sehr dünn, dadurch wird weniger Material benötigt. Außerdem können größere Flächen "am Stück" beschichtet werden und müssen nicht aus einzelnen kleinen Zellen zusammengesetzt werden. Aus diesen beiden Punkten resultiert dann auch der Hauptvorteil von Dünnschichtmodulen - sie sind günstiger als kristalline Module. Weitere Vorteile sind eine größere Unempfindlichkeit bei Verschattung und ein besseres Schwachlichtverhalten. Dem stehen jedoch einige gewichtige Nachteile gegenüber: Bei Modulen auf CdTe-Basis wird Cadmium eingesetzt. Dieser hochgiftige Stoff ist zwar in den Modulen gebunden, falls ein Modul jedoch entsorgt werden muss, ist dieses als Sondermüll zu behandeln. Zwar gibt es Rücknahmeverpflichtungen der Hersteller, aber die Frage muss erlaubt sein, ob bei einer umweltfreundlichen Technologie überhaupt umweltgefährdende Stoffe zum Einsatz kommen sollten, zumal es auch ungefährliche Materialien gibt, die von anderen Herstellern eingesetzt werden (amorphes Silizium, CIS, CIGS etc.). Der größte Nachteil ist jedoch im wesentlich geringeren Wirkungsgrad zu sehen. Je nach Typ haben Dünnschichtmodule nur einen Wirkungsgrad von 8-12%. Auch wenn die in der Photovoltaik übliche Messgröße Euro je Kilowatt Peak für Dünnschichtmodule spricht, so werden Dünnschichtmodule sinnvoll nur da zum Einsatz kommen, wo entweder Platz keine Rolle spielt, die Lichtverhältnisse nicht optimal sind oder die besondere Optik der Module eine entscheidende Rolle spielt.

Grundsätzlich spielt die Ausrichtung der Module eine große Rolle. Die typische Anlage zur Netzeinspeisung bringt den höchsten Ertrag bei Südausrichtung (Azimut 0°) und einer Neigung von 28° (Elevation). In der folgenden Abbildung kann abgelesen werden, wie sich davon abweichende Ausrichtungen bei Festinstallationen auf der Ertrag auswirken.

 

 

Um die Ausbeute zu verbessern, kann bei Flachdächern bzw. zu flachen Dächern aufgeständert werden. Eine Mindestneigung von 15° muss wegen des erst ab dieser Neigung gegebenen Selbstreinigungseffekts auf jeden Fall eingehalten werden. Eine Möglichkeit, die Erträge noch weiter (um bis zu 40%) zu steigern, ist die der Nachführung. Hierbei werden die Module entweder programmgesteuert oder sonnenstandsabhängig permanent senkrecht zur Sonnenstrahlung positioniert. Nachteilig wirken sich freilich die wesentlich höheren Kosten für ein solches System aus.